況洋洋

摘 要：本文對(duì)PLC在異步電機(jī)智能保護(hù)數(shù)據(jù)采集電路中的應(yīng)用進(jìn)行分析，基于芯片TMS320LF2407A，對(duì)數(shù)據(jù)采集的采樣模塊、人機(jī)接口模塊、時(shí)鐘晶振模塊以及總線通信模塊等模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A;采樣;人機(jī)接口;總線通信

1芯片TMS320LF2407A簡(jiǎn)介

數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)發(fā)展了20多年，最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。數(shù)字控制系統(tǒng)克服了模擬控制系統(tǒng)電路功能單一、控制精度不高的缺點(diǎn)，它抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，增強(qiáng)了控制的靈活性。

2數(shù)據(jù)采集模塊

2.1模擬量的采樣

模擬量的采樣是通過(guò)電壓互感器和電流互感器采集三相電流、三相電壓和零序電流，并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后由I/O接口送至DSP芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP芯片對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理和計(jì)算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)，與整定值比較運(yùn)算，判斷電機(jī)是否處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

（1）電壓和電流調(diào)理電路

下面以三相四線制供電系統(tǒng)為例說(shuō)明如何將電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)二次電壓互感器、電流互感器調(diào)理并抬高為0～3.3VAC之間的電壓信號(hào)的。

因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓、電流是交流信號(hào)，根據(jù)LF2407A內(nèi)置ADC模塊的特點(diǎn)，在作A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，希望被轉(zhuǎn)換的信號(hào)是單極性的，所以經(jīng)過(guò)電壓互感器、電流互感器變換后的交流電壓還要被抬高，變到0～3.3V范圍內(nèi)。

以A相電壓為例，電網(wǎng)A相電壓首先經(jīng)一次互感器和二次互感器，變換后的電壓為雙極性交流電壓信號(hào)。再經(jīng)過(guò)RC低通濾波，濾除高次諧波，并通過(guò)電壓跟隨器保持電壓。最后經(jīng)過(guò)電平抬升電路和放大電路以及穩(wěn)壓電路將雙極性交流電壓信號(hào)調(diào)理為0—3.3V的單極性電壓信號(hào)，正好滿足DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊要求的電壓轉(zhuǎn)換范圍：0～3.3V。

（2）頻率測(cè)量電路

由于采樣周期與電網(wǎng)中的頻率有關(guān)，而電網(wǎng)中的頻率又是變化的，為了實(shí)現(xiàn)采樣的整分割，必須跟蹤電網(wǎng)中的頻率信號(hào)。頻率的測(cè)量是通過(guò)采集兩個(gè)電壓周期信號(hào)上升沿之間的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電壓波形經(jīng)過(guò)零電壓比較器產(chǎn)生方波，送入TMS320LF2407的捕獲定時(shí)器引腳CAP1進(jìn)行上升沿捕獲，采用定時(shí)/計(jì)數(shù)器1作為時(shí)間基準(zhǔn)。

2.2人機(jī)接口模塊

（1）鍵盤設(shè)計(jì)

TMS320LF2407ADSP有多達(dá)40個(gè)通用、雙向的數(shù)字I/O引腳，其中大多數(shù)都是基本功能和一般I/O功能復(fù)用。將IOPF0至IOPF5六個(gè)端口設(shè)置為一般I/O口輸入方式，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入功能。為滿足實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用按鍵中斷方式完成人機(jī)交互功能。本電路設(shè)計(jì)的鍵盤共有6個(gè)鍵，分別用于選擇調(diào)節(jié)項(xiàng)、增減設(shè)定值、設(shè)置、確定、啟動(dòng)、停止。當(dāng)按鍵沒(méi)有被按下時(shí)，I/O口和XINT引腳一直為高電平狀態(tài)，當(dāng)任一按鍵按下時(shí)，XINT1引腳的輸入出現(xiàn)低電平跳變（INT13設(shè)置為下降延觸發(fā)）觸發(fā)DSP外部中斷，CPU響應(yīng)中斷后在中斷服務(wù)子程序中讀取鍵盤狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

（2）液晶顯示器

本模塊選用LCM320240液晶顯示器。LCM320240是北京青云公司生產(chǎn)的320x240點(diǎn)陣LCD模塊。內(nèi)含7602個(gè)簡(jiǎn)體中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，工作電源（3.3V）與DSP兼容，本設(shè)計(jì)中采用6800時(shí)序，8位數(shù)據(jù)并行方式。

LCM320240工作在兩種不同的顯示模式：

文字顯示模式：內(nèi)建512KB的16x16中文顯示字型ROM，存儲(chǔ)7602個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GB碼的簡(jiǎn)體中文。每個(gè)簡(jiǎn)體中文漢字由兩個(gè)8位代碼組成，對(duì)應(yīng)關(guān)系參見(jiàn)LCM320240中文代碼表。通過(guò)將漢字所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)8位代碼寫入資料寄存器，就可以將對(duì)應(yīng)漢字顯示在當(dāng)前光標(biāo)處，漢字大小為16x16。

繪圖顯示模式：它是以字元映射方式在DisplayRAM上填入圖形資料。當(dāng)所要顯示的漢字大小不為16x16時(shí)，可以將LCD設(shè)置為繪圖模式，通過(guò)字模提取軟件得到所需大小的漢字字碼表，再在LCD上以繪圖方式顯示。

通過(guò)控制其指令寄存器[FD]實(shí)現(xiàn)LCD在這兩種不同模式之間切換。對(duì)LCM320240的操作實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)控制RS引腳對(duì)指令寄存器和資料寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。

DSP經(jīng)常會(huì)對(duì)讀寫周期較慢的輸入/輸出設(shè)備（如液晶顯示模塊、打印機(jī)、鍵盤等）進(jìn)行訪問(wèn)，通常用以下兩種方法來(lái)解決DSP與這些慢速設(shè)備之間的輸入/輸出時(shí)序匹配問(wèn)題。

直接訪問(wèn)：直接訪問(wèn)方式是將DSP的讀寫信號(hào)線與慢速設(shè)備接口控制板引出的讀寫信號(hào)線直接相連，時(shí)序由DSP內(nèi)部讀寫邏輯控制。由于慢速外設(shè)的讀寫周期相對(duì)DSP較慢，要使兩者的時(shí)序匹配，還必須進(jìn)行一些時(shí)序方面的控制處理。一種處理方法是軟件編程等待狀態(tài)發(fā)生器，將外部總線周期擴(kuò)展到數(shù)個(gè)機(jī)器周期。由于受硬件條件的限制，這種擴(kuò)展通常也是有限的，TMS320C2000系列DSP最多只能擴(kuò)展到7個(gè)機(jī)器周期。另一種處理方法是利用DSP的READY（外部設(shè)備準(zhǔn)備就緒）引腳，通過(guò)硬件擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)外部狀態(tài)自動(dòng)等待，從而使DSP與慢速設(shè)備之間的時(shí)序匹配。雖然可以將總線周期擴(kuò)展到任意個(gè)機(jī)器周期，但是需要進(jìn)行硬件擴(kuò)展，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

間接訪問(wèn)：用DSP的數(shù)字I/0間接控制慢速設(shè)備，通過(guò)軟件控制DSP的I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)與慢速設(shè)備的時(shí)序匹配。此種方式無(wú)需硬件擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)與任意時(shí)序慢速設(shè)備之間的時(shí)序匹配。

2.3時(shí)鐘晶振模塊

與一般微處理器不同，C240x系列DSP利用掛接在片內(nèi)外設(shè)總線上的鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊（PLL）合成系統(tǒng)需要的各種時(shí)鐘信號(hào)（CPU時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘、模擬時(shí)鐘和看門狗時(shí)鐘）。外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)PLL倍頻后合成系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。外部時(shí)鐘信號(hào)由lOMHz晶振提供，通過(guò)系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器（SCSR1）設(shè)置4倍頻因子后，2407ADSP以最大時(shí)鐘頻率（40MHZ）工作。通過(guò)檢查DSP時(shí)鐘輸出引腳（CLK0UT）的頻率，可以判斷DSP芯片是否已開(kāi)始正常工作。PLL模塊使用外部濾波器回路來(lái)抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾。濾波器回路由PLL接在濾波器輸入引腳PLLF和PLLF2之間的電阻R1和電容Cl、C2組成。電容Cl、C2必須為無(wú)極性電容。

在不同的振蕩器頻率下，R1、Cl、C2的取值不同，常用的參數(shù)組合如表l所列。PLL模塊的電源引腳PLLVCCA分別通過(guò)磁珠和0.1μF的電容與數(shù)字電源引腳VDD和數(shù)字地引腳VSS連接，構(gòu)成低通濾波電路，保證時(shí)鐘模塊的可靠供電。

2.4總線通信模塊

目前電力系統(tǒng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都是基于RS-485構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，采用半雙工的電氣協(xié)議，這種機(jī)制使得在構(gòu)建復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在不足，可靠性低，系統(tǒng)故障隔離能力差。

在本設(shè)計(jì)方案中采用了CAN總線技術(shù)。CAN總線型結(jié)構(gòu)是一種適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。它由物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩部分組成，而數(shù)據(jù)鏈路層又包括邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層。CAN總線的應(yīng)用范圍很廣，從高速的局域網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路配線都可以使用CAN總線。

CAN總線技術(shù)具有獨(dú)特的機(jī)制，其主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不分主動(dòng)主從;采用非破壞總線仲裁;支持競(jìng)爭(zhēng);傳輸距離遠(yuǎn);通信速度較高（最大1Mbit/s）;組網(wǎng)靈活;其報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾小，具有自己的協(xié)議等;所以現(xiàn)場(chǎng)總線CAN以其自身的優(yōu)點(diǎn)有效支持分布式控制系統(tǒng)或成為實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

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